כיצד להשתמש בנורות LED‏ UV-C‏ עבור בקרת פתוגנים בטוחה, יעילה ונצילה

מגיפת הקורונה COVID-19 עודדה את המהנדסים לשקול אור אולטרה-סגול (UV) עבור חיטוי ועיקור מוצרים ה"מנטרלים" את נגיף SARS-CoV-2 (הנגיף שגורם לקורונה COVID-19). מוצרי חיטוי ועיקור קונבנציונליים משתמשים במנורות אדי-כספית בלחץ נמוך כדי לפלוט את ספקטרום ה- UV-A הנדרש לחיסול הפתוגנים. אך נורות LED מציעות יתרונות רבים, כולל נצילות גבוהה יותר, תפוקת אור גבוהה יותר, אורך חיים ארוך יותר ועלויות חיים נמוכות יותר.

נורות LED‏ UV-A‏ הן קלות יחסית לייצור - על ידי התאמת נורות אור כחול לתחום הספקטרום הכמעט-נראה - והן זמינות מזה למעלה מעשור ליישומי אשפרה תעשייתיים. אך ניטרול נגיף SARS-CoV-2 דורש UV-C אנרגטי יותר.

בשנים האחרונות, נורות UV-C מסחריות הפכו לזמינות. עם זאת, התקנים אלה אינם יכולים להיחשב כתחליף פשוט למנורות אדי-כספית קונבנציונליות מכיוון שהם מציגים אתגרי תכנון חדשים רבים. לדוגמה, מוצרי חיטוי ועיקור דורשים שטף קרינה גבוה ומבוקר היטב כדי להבטיח פעולה תקינה. יתר על כן, נורות UV-C אינן מסוכנות רק לחיידקים ולנגיפים, אלא הן גם מסוכנות לבני אדם, ולכן הגנה מספקת היא חלק חשוב בתהליך התכנון.

מאמר זה ידון בקצרה בסוגי קרינת UV ותפקידה בחיטוי ובבקרת פתוגנים. לאחר מכן הוא יתאר את היתרונות של שימוש בנורות LED כמקור הקרינה כמו גם את אתגרי התכנון הנלווים. המאמר יציג פתרונות לאתגרים אלה באמצעות נורות LED‏ UV לדוגמה מהחברות .OSRAM Opto Semiconductors‏, Everlight Electronics‏ ו- SSETi/Seoul Viosys‏.

מדוע להשתמש באור UV עבור בקרת פתוגנים?

קרינת UV משתלבת בספקטרום האלקטרומגנטי בין האור הנראה לבין קרני רנטגן והיא מורכבת מפוטונים באורך גל קצר (400 עד 100 ננומטר (nm‏)) עם אנרגיות גבוהות בהתאמה. אורך-גל הקרינה הוא ביחס הפוך לתדר: ככל שאורך הגל קצר יותר, כך התדר גבוה יותר (איור 1).

איור 1: בתוך הספקטרום האלקטרומגנטי קרינת UV נופלת ממש מתחת לאור הנראה באורך-גל שבין 100 ל- 400 ננומטר והיא מחולקת לשלושה סוגים, A‏, B‏ ו- C‏. (מקור התמונה: ממשלת קנדה)

על בסיס האינטראקציה של קרינת UV עם חומרים ביולוגיים, הוגדרו שלושה סוגים של אור: UV-A‏ (400 עד 315 ננומטר); UV-B‏ (314 עד 280 ננומטר); ו- UV-C‏ (279 עד 100 ננומטר). השמש מייצרת את כל שלוש הצורות, אך החשיפה האנושית מוגבלת בעיקר ל- UV-A מכיוון שמעט UV-B ואף UV-C לא חודרים לשכבת האוזון של כדור-הארץ. עם זאת, ישנן מספר שיטות עבור ייצור מלאכותי של שלושת סוגי אור ה- UV, לדוגמה, מנורות אדי-כספית ולאחרונה גם נורות LED‏ UV‏.

קרינת UV-C הייתה טכנולוגיה מבוססת למיגור פתוגנים הרבה לפני המגיפה הנוכחית. מוצרים קונבנציונליים משתמשים במנורות אדי-כספית כמקור UV‏. מחקר שנערך לאחרונה על יעילות ה- UV-C נגד SARS-CoV-2 הראה כי אור UV באורך-גל סביב 250-280 ננומטר נקלט בעדיפות ב- RNA של הנגיף, ובמינון כולל של 17 ג'אול למטר רבוע (^2‏J/m‏) מנטרל 99.9 אחוז מהפתוגנים. שימו לב שרמת קרינה זו אינה הורגת את הנגיף באופן מוחלט, אך היא משבשת את ה- RNA שלו מספיק כדי למנוע את שכפולו, ובכך הופכת אותו ללא-מזיק תוך הגבלת חשיפת UV האנושית.

מקורות אור UV

המקור המסורתי של אור UV הוא מנורת אדי-הכספית. זהו התקן פריקת-גז עם אור הנפלט מתוך הפלזמה של המתכת המאודה כאשר הוא מעורר על ידי פריקה חשמלית. מוצרים מסוימים משלבים שפופרת קשת קוורץ מותך המעודד פליטת שיא באורך-גל UV-C של 185 ננומטר (בנוסף לפליטות UV-A ו- UV-B מסוימות) למטרות חיטוי ועיקור (איור 2).

איור 2: לפני הופעת נורות UV-C, מנורות אדי-כספית בלחץ נמוך היו המקור המעשי ביותר של אור UV‏. (מקור התמונה: JKL Components‏)

מנורות אדי-כספית הן נצילות יחסית ועמידות לאורך זמן בהשוואה למקורות תאורת חוט להט קונבנציונליים, אך החיסרון העיקרי שלהן הוא שחרור כספית רעילה לסביבה אם הנורה נשברת במהלך שימוש רגיל או עם סילוקה.

לעומת זאת, נורות LED‏ UV-C‏ מביאות ליישומי חיטוי ועיקור את אותם היתרונות המרכזיים שהנורות מביאות לתאורה כללית, כולל נצילות, תפוקת אור גבוהה יותר, אורך חיים ארוך יותר ועלויות חיים נמוכות יותר. יתר על כן, אמנם יש לנקוט בזהירות בעת סילוק נורות LED, אך הן אינן מהווות את אותם מפגעי סביבה כמו מקורות אור מבוססי כספית.

נורות LED‏ UV-C‏ בנויות על הטכנולוגיה של נורות LED כחולות. אלו משתמשות במצעים של אלומיניום גליום ניטריד (AlGaN‏) כפלטפורמה עבור פולטים עם פער-אנרגיה (Bandgap) רחב יותר (אורך גל קצר יותר) לעומת נורות LED‏ אדומות. עם זאת, נורות LED‏ UV-C‏ הן נצילות פחות ועולות יותר מאשר נורות LED כחולות, בעיקר משום שגליום ניטריד אינו שקוף לקרינת UV-C‏. כתוצאה מכך יש מעט יחסית פוטוני UV-C שנפלטים מפיסת-הסיליקון.

ההתפתחויות האחרונות כוללות ציפוי מתכת מגע-P‏ רפלקטיבי, מצעים עם תבנית, משטחים עם טקסטורה, אפקטים של מיקרו-חללים ועיצוב נפחי המשמשים כיום להגברת הנצילות של נורות UV, ומוצרים מסחריים המציעים כיום ביצועים סבירים. אך המהנדסים חייבים להיות מודעים לכך שההתקנים מציגים רמות נצילות נמוכות יותר מאשר נורות LED עם אור-נראה, והמורכבות הנוספת הקשורה בלגרום לפליטת הפוטונים מגדילה את העלויות. גיליונות הנתונים של היצרן נמנעים בדרך כלל מציון מספרי הנצילות ובמקום זאת מציינים את השטף (במילי-וואט (mW)) עבור זרם ומתח דוחף נתונים.

דוגמה לפתרונות UV-C LED

ישנם מספר נורות LED‏ UV-C‏ מסחריות בשוק שתוכננו במיוחד לפליטת קרינה באורך-הגל האופטימלי עבור ניטרול פתוגנים. לדוגמה, חברת .OSRAM Opto Semiconductors, Inc מציעה את נורת LED‏ UV-C‏ 3636‏ UV‏ OSLON‏ SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18‏ הפולטת אור באורך-גל של nm‏ 275‏. נורת ה- LED מספקת בין 35 ל- 100 מילי-וואט של שטף קרינה כולל (בתלות בבחירת ה- Bin‏) מזרם/מתח קדומני של 350 מילי-אמפר (mA‏)/5 עד 6 וולט (איור 3).

איור 3‏: נורות LED‏ UV-C‏ מציעות פליטות עם שיא בתחום של nm‏ 100 עד nm‏ 280. עבור ניטרול SARS-CoV-2, השיא האידיאלי הוא בין nm‏ 250 ל- nm‏ 280. השטף המוקרן מנורת OSRAM OSLON UV-C המוצגת כאן מגיע לשיא ב- nm‏ 277‏. (מקור התמונה: OSRAM)

התקן לדוגמה נוסף הוא ה- ELUC3535NUB‏ מבית Everlight Electronics, נורת LED‏ UV-C‏ של nm‏ 270 עד nm‏ 285‏. ההתקן מבוסס על גוף קרמי ועם הספק מוקרן של mW‏ 10‏ מזרם/מתח קדומני של mA‏ 100‏/5 עד 7 וולט (איור 4‏).

איור 4‏: נורת LED‏ UV-C‏ של nm‏ 270 עד nm‏ 285‏ מבית Everlight Electronics המורכבת על גוף קרמי. גודל נורת ה- LED‏ הוא 3.45‏ x‏ 3.45‏ מ"מ. (מקור התמונה: Everlight Electronics)

מצידה היא, חברת SSETi/Seoul Viosys‏ מציעה את ה- CUD5GF1B‏. ה- LED, הפולט 255 ננומטר, מורכב במארז קרמי עבור הרכבה-משטחית ולו התנגדות תרמית נמוכה. ההספק המוקרן של ההתקן הוא mW‏ 7‏ מזרם/מתח דןחף של mA‏ 200‏/7.5 וולט. נורת ה- LED מציגה סטייה מינימלית של אורך-הגל הנפלט עם עליית הטמפרטורה: הסטייה היא של 1 ננומטר בלבד מיציאת השיא שלה של 255 ננומטר סביב תחום טמפרטורות פיסת-הסיליקון של C‏°‏50‏. זהו שיקול חשוב עבור התקן הדורש יציאה מבוקרת היטב כדי להבטיח ניטרול טוב של הנגיפים (איור 5).

איור 5‏: נורת LED‏ UV-C‏ CUD5GF1B‏ מבית SSETi/Seoul Viosys‏ סוטה ב- 1 ננומטר בלבד מיציאת השיא שלה של 255 ננומטר סביב תחום טמפרטורות פיסת-הסיליקון של C‏°‏50‏. (מקור התמונה: SSETi/Seoul Viosys‏)

תכנון נורות LED‏ UV-C‏

נורות LED מביאות איתן מערך של אתגרי תכנון משלהן, כך שזה לא-מעשי לנסות להתאים מוצר שתוכנן סביב מקור אור אדי-כספית כך שיתאים לנורות LED‏ UV-C‏. מסיבה זו, החלפת מנורות אדי-כספית בנורות LED‏ UV-C‏ ביישומי חיטוי או עיקור אינה רק מקרה של החלפת מקור אור אחד במשנהו.

כאשר בוחרים נורות LED‏ UV-C‏ עבור חיטוי או עיקור, תהליך התכנון צריך להתחיל בקביעת האזור שעליו יהיה צורך ליישם את אור ה- UV-C ואת השטף המוקרן ("הקרנה") בוואט למטר רבוע (וואט/מ^2‏)) הנדרש כדי לנטרל פתוגני מטרה באזור המוקרן.

קחו כדוגמה יישום לחיטוי האוויר שיוצא מתעלת מיזוג אוויר. על בסיס הדרישות של ^2‏J/m‏ 17‏ שתוארו לעיל, עבור שטח של ^2‏m‏ 0.25, כדי לנטרל כל נגיף בזרם האוויר תוך כחמש שניות תידרש מערכת עם קרינה של כ- ^2‏m/וואט 4 (עבור הספק כולל של 1 וואט).

לאחר חישוב ההקרנה הרצויה, המהנדס יכול לתכנן כיצד ניתן להעביר אותה. כלל האצבע הוא לקחת את השטף המוקרן של כל נורת LED‏ ולחלק את סה"כ הקרינה במספר נורות LED‏ זה כדי להגיע למספר הנדרש עבור כל מוצר ברשימת הרכיבים המועדפים.

חישוב גס זה הוא פשט מכיוון שהוא לא לוקח בחשבון את אופן הפילוג של שטף זה. שני גורמים קובעים כיצד השטף המוקרן פוגע במשטח היעד. הראשון הוא המרחק מה- LED לאובייקט, והשני הוא "זווית האלומה" של ה- LED.

אם ה- LED נחשב כמקור נקודתי, קרינתו יורדת על פי חוק הרבוע ההפוך. לדוגמה, אם במרחק 1 ס"מ מנקודת הפליטה עוצמת הקרינה היא mW‏ 10 לסנטימטר רבוע (^2‏mW/cm), אז במרחק 10 ס"מ משם עוצמת הקרינה תרד ל- ^2‏mW/cm‏ 0.1‏. עם זאת, חישוב זה מניח שה- LED מקרין במידה שווה לכל הכיוונים, וזה לא המקרה. במקום זאת, נורות LED כוללות אופטיקה ראשית המכוונת את השטף המוקרן לכיוון מסוים. היצרנים מפרטים בדרך כלל את זווית אלומת ה- LED בגיליון הנתונים, המוגדרת כזווית בה מגיעים ל- 50 אחוז מקרינת השיא מכל צד של המקור.

לנורות LED‏ UV-C‏ של החברות OSRAM‏, Everlight Electronics ו- SSETi/Seoul Viosys‏ המתוארות לעיל יש זוויות אלומה של 120‏, 120 ו- 125 מעלות, בהתאמה. איור 6 מציג את תבנית הקרינה של ה- LED‏ SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C מבית OSRAM. בתרשים, הקו המקווקו בין 0,4 ל- 0,6 מציין היכן מגיעים ל- 50 אחוז מקרינת השיא, המגדיר את זווית האלומה (60 + 60 מעלות).

איור 6‏: עבור תבנית הקרינה של נורת ה- LED‏ SU CULDN1.VC-MAMP-67-4E4F-350-R18 UV-C מבית OSRAM, הקו המקווקו בין 0,4 ל- 0,6 מציין היכן מגיעים ל- 50 אחוז מקרינת השיא, המגדיר את זווית האלומה (60 + 60 מעלות). (מקור התמונה: OSRAM)

מאפיין המפתח הקובע את זווית האלומה הוא היחס בין פיסת-הסיליקון של ה- LED לבין גודל האופטיקה הראשית. לכן, הפקת אלומה צרה יותר מחייבת פולט קטן יותר או אופטיקה גדולה יותר (או איזון מתאים בין השניים). הפשרה בתכנון היא שפיסת-סיליקון קטנה יותר מייצרת פליטות נמוכות יותר, בעוד שקשה יותר לייצר אופטיקה גדולה יותר, מה שמעלה את המחיר ומגביל את בקרת זווית האלומה.

נורות LED מסחריות מסופקות בדרך כלל עם אופטיקה ראשית המותקנת במפעל, כך שההחלטה על יחס פיסת-הסיליקון/אופטיקה היא מעבר לשליטתו של מהנדס התכנון. לפיכך חשוב לבדוק את זווית האלומה של המוצרים ברשימת המועדפים, מכיוון שלשני התקני יציאה זהים מספקים שונים יכולות להיות תבניות פליטה שונות למדי.

בעוד שמרחק ה- LED מהאובייקט המוקרן וזווית האלומה הם מדריך ראשוני טוב לתבנית ההקרנה, ישנן מקורות לשונות. לדוגמה, תבניות האור של נורות LED מיצרן אחד, עם תפוקות וזוויות אלומה זהות תיאורטית, יכולים להשתנות במידה ניכרת בעוצמתם ובאיכותם בהתאם לתכן האופטיקה הראשית. הדרך היחידה להיות בטוח בתבנית ההקרנה בפועל היא לבדוק את התפוקה של מוצרים ברשימת המועדפים.

מצויד בתפוקת ה- LED, המרחק בין ה- LED לבין המשטח שעליו יונחו הפריטים שיש לחטא, זווית האלומה ונתוני הפליטה בפועל, המהנדס יכול לחשב כמה נורות LED צריכים וכיצד יש למקם אותן על מנת ליצור את ההקרנה הרצויה על האזור הפעיל.

הבחירה הסופית של נורת ה- LED מסתכמת בפשרה הרצויה בין העלות, הנצילות והמורכבות. נורות LED‏ UV-C‏ הן יקרות ולכן גישה אחת יכולה להיות שימוש בפחות התקנים אך כאלו עם הספק גבוה יותר מאשר במספר גדול יותר של התקנים עם פחות הספק כלל-אחד. היתרון של תרחיש זה הוא שעלות רכיב ה- LED עשויה להיות נמוכה יותר ומורכבות הדוחף תקטן. החיסרון הוא שבגלל הנצילות הנמוכה שלהם, ההתקנים עם ההספק הגבוה יותר ידרשו ניהול תרמי טוב יותר כדי לשמור על אורך חיים ארוך (טמפרטורות גבוהות מקצרות דרמטית את אורך החיים של ה- LED). זה דורש צלעות-קירור גדולות יותר, תוך שלילת חלק מהחיסכון הצפוי בעלות. 

תכנון אופטיקה משנית

חלופה להוספת נורות LED ו/או הגדלת הספק ה- LED היא לשקול שימוש באופטיקה משנית. התקנים אלה יוצרים קולימציה (מייצרים אלומות אור מקבילות של עוצמה שווה) של תפוקת ה- UV-C מנורת ה- LED כדי למנוע אפקטיבית כל השפעה של זווית האלומה. בתיאוריה, עם שימוש בקולימציה, ההקרנה על פני משטח המטרה צריכה להיות אחידה (ללא תלות בסידור נורות ה- LED), ורמת הקרנה נתונה צריכה להיות מושגת עם פחות נורות LED מכיוון שפחות מהתפוקה תתבזבז. לחלופין, ניתן להשיג הקרנה גבוהה יותר עם אותו מספר נורות LED‏ כמו בתכן ללא אופטיקה משנית (^2‏mW/m‏ 350 לעומת ^2‏mW/m‏ 175) (איור 7).

איור 7‏: קולימציה של פליטת UV-C באמצעות אופטיקה משנית (משמאל) מגדילה את ההקרנה של שטח המטרה בהשוואה למערכת עם אותה תפוקת LED אך באמצעות אופטיקה ראשית (ללא-קולימציה). (מקור התמונה: LEDIL)

באופן מעשי, ההקרנה עם אופטיקה משנית היא פחות אחידה מכיוון שקולימציה אפילו מהמוצרים הטובים ביותר אינה מושלמת עקב דיפרקציה (למרות שככל שנורת ה- LED קטנה יותר, כך הקולימציה טובה יותר). כמו כן, לעתים קרובות יש צורך בניסויים ממושכים עם מיקום נורות ה- LED והאופטיקה המשנית כדי להבטיח את ההקרנה הנדרשת מפחות התקנים, בהשוואה לתכן דומה ללא אופטיקה משנית.

שימו לב שהאופטיקה המשנית עבור נורות LED‏ UV-C‏ מיוצרות מחומרים שונים מאלו בהם משתמשים עבור נורות LED‏ אור נראה. הפתרונות הנפוצים הם חלקי סיליקון יצוקים בהזרקה המחזירים היטב את אורכי-הגל של UV-C ומאפשרים ייצור של תכני עדשות מורכבים. ניתן להשתמש גם ברפלקטורי אלומיניום עבור קולימציה של UV-C. הפשרה כשמשתמשים באופטיקה משנית הוא החיסכון בעלויות בשל השימוש בפחות נורות LED‏ לעומת המורכבות המוגדלת של תכנון עם קולימטור.

אמצעי בטיחות

קרינת UV אמנם אינה מסוגלת לחדור הרחק דרך עור האדם, אך היא נספגת ועלולה לגרום לנזקים קצרי-טווח כמו כוויות ולנזקים ארוכי-טווח כמו קמטים והזדקנות עור מוקדמת. במקרים קיצוניים חשיפה ל- UV עלולה לגרום לסרטן העור. אור UV מסוכן במיוחד לעיניים שם הוא עלול לגרום לנזק הן לרשתית והן לקרנית. באינטראקציה עם האוויר, קרינת UV יכולה גם לייצר אוזון שנחשב לסיכון בריאותי בריכוזים גבוהים.

סיכונים אלו מחייבים לתכנן מוצרים בצורה טובה כך שהם מגבילים את החשיפה לאור UV-C ואינם מאפשרים למשתמשים להביט ישירות ל- LED. מכיוון ש- UV-C אינו נראה לעין, מומלץ גם לבחור נורות LED הכוללות במכוון פליטת אור כחול הנראה לעין. כאשר נורות ה- UV-C מופעלות, נוצר חיווי ברור לכך.

במיוחד עבור SARS-CoV-2, שילוב יחידות עיקור בתוך יחידות חימום, אוורור ומיזוג-אוויר (HVAC) מאפשר ניטרול מהיר של נגיפים נישאים-באוויר תוך הרחקת ה- UV-C מאנשים. מתבצע מחקר על נורות LED הניתנות להתאמה לגופי תאורה כדי להקרין משטחים עם רמות נמוכות מאוד של UV-C שאינן מזיקות לבני אדם, אך לאורך תקופות ארוכות מספקות הקרנה מספקת כדי לנטרל כל נגיף על משטחים כגון שולחנות, כיסאות, רצפות וידיות דלתות.

סיכום

קרינת UV-C‏ יכולה לשמש לניטרול פתוגנים (מחוללי מחלות) כגון נגיף SARS-CoV-2‏ בחיטוי ועיקור מוצרים. עם זאת, המקור המלאכותי הנפוץ של UV-C הוא מנורת אדי-כספית, המציבה אתגרים עם סילוקה עקב תכולת המתכות הכבדות. נורות LED‏ UV-C‏ מציעות חלופה יעילה יותר ועמידה לאורך זמן המקלה על בעיות סילוק, ומספר נורות LED‏ UV-C‏ הפכו זמינות מסחרית עם שיאי פליטה באורכי-גל המתאימים אידיאלית לניטרול פתוגנים.

עם זאת, נורות LED אלה אינן חלופה תואמת Drop-In‏ פשוטה ונדרש תכנון מוקפד כדי למקסם את היתרונות שלהן. כמתואר, על המתכנן להתחיל עם ההקרנה הרצויה על המשטח הפעיל ולעבוד אחורה כדי לחשב את מספר וסידור נורות LED‏ UV-C‏ הדרושות להשגת הקרנה זו. על המתכנן גם להחליט אם להסתמך על האופטיקה הראשית של נורות LED‏ כדי לייצר הקרנה אחידה, או אם להשתמש באופטיקה משנית כדי ליצור קולימציה של יציאת ה- UV-C לקבלת תבנית אופטימלית, תוך התחשבות בעלות של המורכבות הרבה יותר.